現行標準中機爐參數系列匹配優化問題探討

(中國電力建設工程咨詢有限公司，北京 100120)

1 概述

對于電站鍋爐、汽輪機機爐參數系列標準的規定，是招投標中確定發電項目主機參數選擇的主要依據，但從工程實踐及國內/國際文獻比照角度，現行火電行業標準中關于鍋爐、汽輪機的參數系列多源自前蘇聯文獻，其機爐參數匹配顯得偏于保守，存在較大優化空間。為適應當前節能降耗優化主機參數的需要，本文按大中型機組及熱電聯產中小型機組，對這一問題進行討論。

2 300 MW以上再熱機組規范優化問題

對鍋爐與汽輪機初參數匹配通常按大中型機組設計規范進行選用，推薦的主蒸汽壓降不大于5%，但對其進一步優化則缺乏指導性條款，導致實際運行中的鍋爐設計壓力裕量仍然偏大(按文獻統計資料機爐運行壓降多數為2.5%～3.5%)。而目前招投標中仍然很少考慮優化因素。如350 MW級的超臨界機組，汽輪機的進汽參數按國標GB/T754為24.2 MPa.a，而幾大鍋爐廠的鍋爐設計壓力多為25.4 MPa.g，相應的機爐壓降為[(25.5－24.2)/24.2]×100%=5.37%，對比設計院主蒸汽計算壓降3%～3.5%，裕量明顯偏大；但按此進行機爐壓降優化還需要得到行業規范的支持。

3 熱電聯產項目規范優化問題

對于中小型熱電聯產機組及分布式能源項目中的燃氣輪機/余熱鍋爐－蒸汽輪機機組，現行中小型火電廠規范及燃氣輪機聯合循環設計規范中均缺乏明確規定，在招投標文件中大多按現行電站機爐系列標準GB/T754及GB753為依據提要求；但該系列標準系以30多年前的行業標準SD264－1988為藍本，其機爐壓降高達10%左右，見表1。

表1 國內中小型火電機組鍋爐－汽輪機蒸汽參數系列標準

就節能降耗角度，主蒸汽的壓降高達10%以上是相當不合理的，與設計院主蒸汽系統壓降計算的優化結果也不相匹配，應該進行修訂調整。

4 機爐壓降偏大的歷史原因

現行鍋爐汽輪機參數系列標準中的中小型機組參數匹配參照了前蘇聯的標準，而前蘇聯的機爐初參數匹配源于其當時的技術水平相對落后，所用的管道內壁粗糙度為0.2 mm，直管阻力系數高達0.018～0.022，熱壓彎頭等管件阻力系數也偏大；相比之下目前實際使用的無縫鋼管粗糙度按國際通用標準為0.0457 mm，直管阻力系數0.013～0.014，在四大管道優化中普遍推薦使用彎管來替代彎頭，管件部分阻力系數比彎頭小很多；加上前蘇聯計算方法偏于保守，對于管件在計算局部阻力后另外再計算摩擦阻力，又考慮裕量，使得機組投運后實際總的機爐壓降只有計算值的50%左右，以此為依據取用的機爐壓降必然偏大。

5 機爐壓降優化的理論依據

由流體力學基本方程可以推得主蒸汽系統比壓降公式如下：

式中： Δp為主蒸汽系統壓降(MPa)；p為汽輪機進口主蒸汽壓力(MPa)；Le為管線當量計算長度(m)；λ為直管摩擦阻力系數；D為主蒸汽管內徑(m)；W為主蒸汽管管內流速(m/s)；v為與主蒸汽壓力相匹配的蒸汽比容(m3/kg)；ζe為阻力因子；C1為流速因子，由于流速W取值與蒸汽參數關系不大，C1值變化不大。C2為氣體特性因子，對于中壓、次高壓、高壓、超高壓及超臨界機組的C2值分別為1.049、1.007、0.939、0.962及0.994，變化較小。

根據文獻的分析，按國際通用的Crane手冊查取的管件阻力系數已包括管件展開長度的摩擦阻力在內，則在已知管線展開長度L及以彎管為代表的管件數n時的當量計算長度為：

式中：L為管系直管段長度(m)；Ld為管件當量長度(m)；R/D為管件相對于管徑的彎曲半徑。

由于阻力系數λ的變化不大，ζe主要取決于當量長度Le及管徑D；對于中小型機組來說λ值略大，Le及D均較小，ζe值的總體水平仍與大中型機組相當。

在典型的工程技術條件下，按公式(1)、(2)所估計的主蒸汽系統比壓降見表2。

表2 典型條件下的主蒸汽系統壓降估算數據(適用于彎管替代彎頭時)

據以上分析，對于大中型機組：

(1)當采用較大單管設計容量使主管內徑較大(例如鄒縣三期600 MW機組主蒸汽系統采用單管制連接方式)。

(2)因主廠房布置優化使四大管道長度更短情況下，主蒸汽系統的比壓降有可能控制在3.5%以內。對于中小型機組的主蒸汽合理壓降仍可控制在與大中型機組同等范圍內即5%以內；對于燃機/余熱鍋爐－蒸汽輪機機組，主蒸汽系統的優化比壓降可以控制的更低；沒有必要取到10%的高值。

6 機爐壓降優化的實踐

6.1 大中型再熱機組

國內從ALSTOM引進的330 MW及鄒縣三期600 MW機組的設計壓降均不到3.5%；ALSTOM－SIEMENS設計的外高橋電廠二期參數為25 MPa 的900 MW超臨界機組，主蒸汽壓降按0.805 MPa取用，鍋爐設計壓力為25.76 MPa，機爐設計壓降僅為3.2%，按投運經驗仍有裕量，表明在大中型再熱機組中的機爐壓降上具有相當的優化空間。

6.2 燃氣輪機聯合循環及中小型機組

新近設計的崇明島燃機配高壓機組的機爐主蒸汽壓降為(12.85－12.473)/12.473=3%，比表1中的配套數據要小得多。最近對于某分布式能源項目燃氣輪機/余熱鍋爐－供熱汽輪機機爐初參數匹配檢查中發現，初設中按機爐參數匹配確定的主蒸汽壓降為(9.8－8.83)/8.83=10.98%，大大超標，審查中要求設計院根據理論計算并參照該項目老廠實際運行經驗(約為3%左右)比算，調整到3%～4%，達到合理水平。

7 對行業標準修訂及完善建議

(1)對大中型鍋爐的蒸汽參數在大火規規定基礎上按設計院四大管道優化成果進行優化，以降低鍋爐設計裕量并調低給水泵選型壓頭裕量。

(2)對中小型供熱機組或燃氣輪機聯合循環機組的機爐參數匹配，不再套用前蘇聯的蒸汽鍋爐→汽輪機標準系列參數，而應支持按設計院主蒸汽壓降優化成果或燃機聯合循環標準來選取。